In 1995 is Gaia begonnen met een model voor één fase, een nul en een

Transcriptie

1 1

2 In 1995 is Gaia begonnen met een model voor één fase, een nul en een afscherming voor de aardingsveiligheidsberekening. ili id i In het kabelmodel was al rekening gehouden met de asymmetrie van de LS-kabel. Later is de netbelastingsberekening daaraan toegevoegd. In 2003 is de vijfgeleiderloadflow geïntroduceerd. Deze uitbreiding had geen invloed op de aardingsveiligheidsberekening en de netbelastingsberekening, maar er werd een nieuwe loadflowberekening toegevoegd voor netten met asymmetrische belastingen. Later zijn daar de kortsluit- en spanningsvastheidsberekeningen aan toegevoegd. In 2007 wordt hard gewerkt aan de ontwikkeling van de negengeleiderloadflow. Dit maakt het mogelijk berekeningen uit te voeren aan LS-netten met een geïntegreerd OV-net. Diverse klanten hebben in het verleden methodes bedacht om te rekenen aan OV. De meeste aandacht gaat daarbij uit naar veiligheid en spanningshuishouding. Om aan de OV-netten te kunnen rekenen werden speciale kabels gemodelleerd om de hulpaders te representeren. Met de negengeleiderloadflow is het niet langer nodig voor berekening aan OV een net te ontwerpen met kabels die alleen uit hulpaders bestaan. De belastbaarheid is bij combikabels in de praktijk geen probleem. De optimalisatie blijft zich richten op de hoofdaders. 2

3 Waarom? Kunnen rekenen aan asymmetrie Vragen in het verleden Losse aardgeleiders (koperen strip) Fase-fase belastingen Nulonderbreking Invloed van asymmetrie corrigerende transformatoren op éénfase fouten Aanpak Volledige modellering van alle fasen, de nulgeleider en de aardgeleider 3

4 Basis van de vijfgeleiderloadflow is de uitgebreide modellering van de kabels met drie fasen, een nulleider en een aardscherm of aardgeleider. Het totale elektrische systeem kan op diverse plaatsen geaard worden door een impedantie op te nemen tussen de aardgeleider en de verre referentieaarde. Hiermee kunnen zowel aardelektrodes als slecht isolerende buitenmantels gemodelleerd worden. Door de uitgebreide modellering kan nu ook de invloed van de corrigerende werking van transformatoren op spanning- en stroomasymmetrieën worden onderzocht. De transformatoren worden gemodelleerd met wikkelingen in driehoek, ster en zigzag. Ook nieuw is de mogelijkheid de belasting in uitgebreide vorm te modelleren, zodat de belasting per fase of tussen specifieke fasen kan worden opgegeven. 4

5 Voor de knooppunten moet nu een onderscheid gemaakt worden tussen topologische knooppunten, die in de werkelijkheid de schakelkasten en de moffen representeren, en de elektrische knooppunten, die voor de berekening het specifieke gedrag van fasen, nul en aardscherm representeren. In elk topologisch knooppunt kan worden opgegeven of de nul en aarde met elkaar doorverbonden zijn. Ook kan in elk topologisch knooppunt een verbinding met de verre referentieaarde worden gemaakt. De aardverspreidingsweerstand kan apart worden gespecificeerd. 5

6 Bovenstaande figuren tonen de opbouw van een LS-kabel met ronde en een met sectorvormige geleiders. Aan de opbouw van de kabels is te zien dat het net niet symmetrisch is, zodat de symmetrische componentenmethode voor MS- en HS-netten (met homopolair, normaal en invers stelsel) niet meer voldoet. De kabelimpedanties zijn al berekend voor de aanraakveiligheidsberekening, maar werden tot nu toe nog maar gedeeltelijk gebruikt. De kabels worden nu volledig gg gemodelleerd, zodat alle zelfimpedanties en mutuele koppelingen tussen fasen onderling en fasen met nul en aardscherm correct verwerkt worden. Alle gegevens worden verzameld in een volledig gevulde 5x5 matrix. 6

7 Voor de transformatoren worden de bekende wikkelvormen (driehoek, ster en zigzag) volledig gemodelleerd. Hierdoor is het mogelijk de corrigerende werking van sommige transformatoren op asymmetrische stromen beter te berekenen. Zo is een eigenschap van de nulpuntstransformator dat asymmetrische stromen in het secundaire circuit (achter de transformator) in het primaire circuit over de fasen verdeeld worden, waardoor de totale asymmetrie voor de voeding verminderd wordt. Op de berekening van de aanraakspanning heeft dit een invloed, omdat bij een éénfasekortsluiting de stroom door de smeltveiligheid door zo een transformator sterk gereduceerd wordt. Als gevolg duurt een kortsluiting in werkelijkheid langer dan we zouden verwachten als we dit effect niet zouden meenemen. De schakelmogelijkheden worden uitgebreid, zodat nu ook per fase geschakeld kan worden. Alle gegevens van de transformator worden verzameld in een volledig gevulde 9x9 matrix (4 knooppunten primair, 5 knooppunten secundair). 7

8 De belasting kan natuurlijk gewoon als driefasige symmetrische belasting worden opgegeven. De uitbreiding bestaat hierin, dat de belasting nu ook per fase afzonderlijk kan worden opgegeven. Normaal is dat dan een belasting tussen fase en nul, maar bij een nulonderbreking zal de belasting, in het geval de nul met de aardgeleider is gekoppeld, zich tussen nul en aardgeleider bevinden. In het geval dat er geen retourgeleider is, zal de belasting een zwevend sterpunt hebben. Ook tussen de fasen onderling kan een belasting worden aangebracht. De invloed van een specifieke zware fase-fase belasting (zoals een zware lastransformator of een elektrische oven) kan nu ook geanalyseerd worden. 8

9 De belasting tussen fasen en nul kan worden gespecificeerd met de nominale belastingstroom per fase. In de Gaia gebruikersinterface kan worden gewisseld tussen invoer in stroom (met cos(phi)) en vermogen. Bij een nulonderbreking wordt het sterpunt met de aardgeleider gekoppeld of wordt het zwevend. 9

10 De belasting tussen de fasen onderling kan per fasepaar afzonderlijk worden gespecificeerd. Op deze manier is het mogelijk één of twee fase-fase belastingen op te geven. Het is uiteraard ook mogelijk om een belasting in driehoek op te geven. De aanwezigheid van de nul of aardgeleider heeft geen invloed. 10

11 De huisaansluiting is uitgebreid met de schakelmogelijkheid per fase. Het model representeert de huisaansluitkabel en de aansluitmogelijkheden in de meterkast vóór en na de zekeringen. De huisaansluiting kan ter plekke worden geaard, zodat ook een TT-stelsel kan worden doorgerekend. In het geval een complete installatie moet worden doorgerekend, is het beter die installatie met Gaia gedetailleerd te modelleren. Hierbij kan de Wizard van hulp zijn. 11

12 Deze sheet illustreert twee knooppunten (kast of mof) en een kabelverbinding. De 5x5 matrix bevat alle langsimpedanties (weerstand en zelfinductie van fasen, nul en aardscherm) en dwarsimpedanties (koppeling tussen fasen onderling, tussen fasen en nul en tussen fasen en nul en aardscherm). Bijna alle geleiders zijn nu door middel van impedanties met elkaar verbonden. Een éénfase belasting bestaat uit een combinatie van een vermogensinjectie op de fase (en een overeenkomstige injectie op de nul) en een admittantie tussen fase en nul. Een tweefasebelasting doet hetzelfde tussen twee fasengeleiders. Een driefasenbelasting wordt opgebouwd uit drie éénfase belastingen. De loadflow berekent de spanningen voor alle geleiders, dus ook voor nul en aarde, ten opzichte iht van de verre referentieaarde. d Fasespanning en gekoppelde spanning zijn verschilspanningen tussen de onderlinge geleiders en kunnen uit de individueel berekende geleiderspanningen worden afgeleid. De geleiderstromen en stromen naar de elementen kunnen worden afgeleid uit de geleiderspanningen en de admittantiematrices van de individuele componenten. 12

13 Er zijn voorbeelden dat een asynchrone machine al bij een geringe spanningsasymmetrie doorbrandt. Het blijkt namelijk het geval te zijn dat de spanningsasymmetrie een veel grotere stroomasymmetrie in de machine tot gevolg kan hebben. Met een correct model kan ook dit gesimuleerd worden. De modelleringswerkzaamheden hiervoor zijn nog niet afgerond. 13

14 Voor een eenvoudige configuratie lichten we de werking van de nieuwe module hier toe. Voor de demonstratie maken we gebruik van een lange kabellengte met een relatief grote belasting. Achtereenvolgens berekenen we de stromen en spanningen: met een symmetrische belasting met een belasting op fasen a en c met een belasting op fase a. 14

15 Het eerste experiment betreft een symmetrische belasting van 100 A per fase (cos(phi)=0,8). De spanning op de voeding blijft onveranderd. De spanning op de belasting is symmetrisch, maar ijlt een paar graden achter op de voedingsspanning. De voedingsstroom is ook symmetrisch en maakt door de arbeidsfactor een hoek ten opzichte van de spanning. 15

16 In het tweede experiment is de stroom door fase b gelijk aan nul gemaakt. Hierdoor voert de geleider van fase b geen stroom meer naar de belasting. Het circuit is wel gewoon gesloten en de som van de stromen van fasen a en c moet nu door de nulgeleider terug naar de voeding. De retourstroom is afgebeeld in het stroomdiagram. De asymmetrie introduceert bij de belasting een nulpuntsverschuiving van 20 V, zichtbaar in het linkerdiagram. De spanning op de onbelaste fase b is gelijk aan de voedingsspanning. De spanning op de belaste fasen a en c vertoont weer de kleine fasedraaiing. 16

17 In het derde experiment zijn de stromen door fasen b en c gelijk aan nul gemaakt. Hierdoor voeren de geleiders van fasen b en c geen stroom meer naar de belasting. Het circuit is wel gewoon gesloten en de stroom van fase a moet nu door de nulgeleider terug naar de voeding. De retourstroom is afgebeeld in het stroomdiagram. De asymmetrie introduceert bij de belasting een nulpuntsverschuiving van 22 V, zichtbaar in het linkerdiagram. De spanningen op de onbelaste fasen b en c zijn gelijk aan de voedingsspanning. De spanning op de belaste fase a vertoont weer de kleine fasedraaiing. 17

18 De invoer door de gebruiker bestaat uit de naamplaatgegevens, zoals gebruikelijk in Gaia. Veel input is afkomstig van type-beschrijvingen, zodat de gebruiker zo min mogelijk geconfronteerd wordt met technische details. In Gaia zijn veel technische gegevens voor de gebruiker afgeschermd. De voor de berekening benodigde technische gegevens haalt het programma uit een typedatabase, die op concern-niveau door het elektriciteitsbedrijf onderhouden wordt. Alle naamplaatgegevens worden eerst omgerekend naar voor de loadflow benodigde gegevens. Hierdoor lijkt het voor de gebruiker alsof er ten aanzien van de invoer maar weinig veranderd is. De meeste componenten worden als symmetrische componenten gedefinieerd. Alleen asynchrone machines en belastingen kunnen ook asymmetrisch worden gemodelleerd. Asynchrone machines kunnen als drie- of éénfase machines worden gemodelleerd. Belastingen kunnen tussen elke fase en nul en tussen fasen worden aangebracht. Van de transformatoren worden de typen met y- en z-wikkeling gemodelleerd. 18

19 Als eerste evidente toepassing is het nu mogelijk om de invloed van asymmetrische belastingen op de spanningen en stromen te berekenen. Ook de dip bij het inschakelen van een asymmetrische belasting kan zo worden geschat. De invloed van een nulonderbreking op het gedrag van het systeem kan gedetailleerd worden onderzocht. Bij onvoldoende maatregelen kan de nul een ontoelaatbaar hoge spanning krijgen. De openbare verlichting kan in detail gemodelleerd en bestudeerd worden. De invloed van de spanningsasymmetrie op de veiligheid voor asynchrone machines kan onderzocht worden. Het gedrag van zware tweefasenbelastingen, zoals lastransformatoren en elektrische ovens, kan worden bestudeerd. De invloed van de corrigerende werking van speciale transformatoren op asymmetrische stromen wordt nu beter gemodelleerd, hetgeen onder andere de aanraakveiligheidsberekening ten goede komt. 19

20 De negengeleiderloadflow is rekentechnisch voor de loadflow, kortsluit- en veiligheidsberekeningen geen nieuwe uitdaging. Het blijven berekeningen aan drie fasen en een retour. De netten met drie fasengeleiders, nul en afscherming worden uitgebreid met vier hulpaders. Alle negen geleiders beïnvloeden elkaar doordat zij in één gecombineerde kabel voorkomen. De moeilijkheid zit in het nieuwe kabelmodel en de vele combinatiemogelijkheden en hun invloed op de invoer en de presentatie van resultaten. 20

21 Het oorspronkelijke kabelmodel kon worden beschreven met een 5x5 matrix. Het model van de combikabel moet worden beschreven met een 9x9 matrix. De waardes van de impedanties en de mutuele koppelingen kunnen worden berekend indien de constructie van de kabel bekend is. In het datamodel van Gaia wordt opgenomen: Z f = R f + j X f : zelfimpedantie van een geleider Z fn = R fn + j X fn : mutuele koppeling naast elkaar gelegen geleiders Z ft = R ft + j X ft : mutuele koppeling tegenover elkaar gelegen geleiders Z PE = R PE + j X PE : zelfimpedantie van de afscherming Z fpe = R fpe + j X fpe : mutuele koppeling geleider en afscherming Z h = R h + j X h : zelfimpedantie van een hulpader Z fhn = R fhn +jx fhn : mutuele koppeling geleider en naastgelegen hulpader Z fht = R fht + j X fht : mutuele koppeling geleider en tegenovergelegen hulpader Z hn = R hn + j X hn : mutuele koppeling naast elkaar gelegen hulpaders Z ht = R ht + j X ht : mutuele koppeling tegenover elkaar gelegen hulpaders Z hpe = R hpe + j X hpe : mutuele koppeling hulpader en afscherming 21

22 De berekeningen van de impedantiematrices van de kabels is uitgevoerd met een programma voor magnetische veldsterktes. Uit de onderlinge elektromagnetische beïnvloeding van de geleiders en afscherming wordt de magnetische veldsterkte bepaald. Hieruit kan de impedantiematrix worden berekend. De magnetische veldsterkte binnen een kabel wisselt met de frequentie. De afbeelding geeft hoe groot de magnetische veldsterkte tussen twee fasengeleiders op een bepaald tijdstip is. 22

23 23

24 De invoer wordt uitgebreid omdat er veel meer koppel- en aansluitmogelijkheden zijn. Overal in het net kunnen hulpaders aan de hoofdaders worden gekoppeld. Hiermee is het mogelijk om: een combikabel op een LS-rek aan te sluiten, een doorgaande verbinding te maken, zelfs met verwisseling van de hulpaders, hulpaders parallel te schakelen en aftakkingen naar een eigen OV-net te modelleren. Het aantal aansluitmogelijkheden is in de praktijk veel minder dan theoretisch mogelijk. De OV belasting kan in een eigen OV-net worden aangesloten tussen een fase en de nul en tussen twee fasen. Bij een combikabel kan de OV-belasting alleen tussen een hulpader en de nul worden aangesloten. Voor diegenen, die niet met OV willen werken is er de mogelijkheid om de OV in- en uitvoer te onderdrukken. 24

25 25

26 26

27 27